Fermi satellit observerer milliardtedel gammastråle med LAT-instrument

Forestil dig, at du havde superheltesyn og kunne se en helt ny verden af ​​fascinerende fænomener, der er usynlige for det menneskelige øje. NASAs Fermi Gamma-ray rumteleskop giver astrofysikere analoge kræfter. Den fanger billeder af universet i gammastråler, den mest energiske form for lys.

Den 12. april et af rumfartøjets instrumenter – Large Area Telescope (LAT), som blev udtænkt og samlet ved Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory – opdagede sin milliardte udenjordiske gammastråle.

Da gammastråler ofte produceres i voldsomme processer, deres observation kaster lys over ekstreme kosmiske miljøer, såsom kraftige stjerneeksplosioner, højhastigheds-partikelstråler udsprøjtet af supermassive sorte huller, og ultratætte neutronstjerner, der spinder ufatteligt hurtigt. Gammastråler kan også være afslørende tegn på mørkt stof partikler – hypotetiske komponenter af usynligt mørkt stof, som står for 85 procent af alt stof i universet.

"Siden Fermis lancering i 2008, LAT har gjort en række vigtige opdagelser af gammastråleemissioner fra eksotiske kilder i vores galakse og videre, " siger Robert Cameron, leder af LAT Instrument Science Operations Center (ISOC) hos SLAC. LAT har allerede indsamlet hundredvis af gange flere gammastråler end den tidligere generation af EGRET-instrument på NASA's Compton Gamma-ray Observatory – et fremskridt, der enormt har uddybet indsigten i produktionen af ​​denne energiske stråling.

Aktiverer Discovery

Blandt LAT-opdagelserne er mere end 200 pulsarer - hurtigt roterende, stærkt magnetiserede kerner af kollapsede stjerner, der var op til 30 gange mere massive end solen. Før Fermis lancering, kun syv af disse genstande var kendt for at udsende gammastråler. Mens pulsarer drejer rundt om deres akse, de udsender "stråler" af gammastråler som kosmiske fyrtårne. Mange pulsarer roterer flere hundrede gange i sekundet – det er titusinder gange hurtigere end Jordens rotation.

"Forståelse af pulsarer fortæller os om stjernernes udvikling, fordi de er et muligt slutpunkt i en stjernes liv, " siger Cameron. "LAT-dataene har ført os til fuldstændigt at revidere vores forståelse af, hvordan pulsarer udsender gammastråler."

LAT har også for første gang vist, at novaer – termonukleære eksplosioner på overfladen af ​​stjerner, der har akkumuleret materiale fra nabostjerner – kan udsende gammastråler. Disse data giver nye detaljer om fysikken i brændende stjerner, som er en afgørende proces for syntesen af ​​kemiske grundstoffer i universet.

Endnu mere eksotiske gammastrålekilder opdaget af LAT er mikrokvasarer. Disse objekter er analoger af stjernestørrelse af aktive galaktiske kerner, med gas, der snurrer rundt om et sort hul i midten. Mens det sorte hul fortærer stof fra sine omgivelser, det udsender stråler af ladede partikler, der rejser næsten lige så hurtigt som lys ud i rummet, generere stråler af gammastråler i processen.

På galaktisk skala, en sådan udstødningsmekanisme kunne have produceret det, der er kendt som Fermi-boblerne - to gigantiske områder over og under midten af ​​skiven i vores Mælkevejsgalakse, der skinner i gammastråler. Opdaget af LAT i 2010, disse bobler tyder på, at det supermassive sorte hul i midten af ​​vores galakse engang var mere aktivt, end det er i dag.

Forskere bruger også LAT til at søge efter tegn på mørkt stof partikler i de centrale områder af Mælkevejen og andre galakser. Teorier forudsiger, at de hypotetiske partikler ville producere gammastråler, når de henfalder eller kolliderer og ødelægger hinanden.

"Med den følsomhed, vi har opnået med LAT, vi burde i princippet være i stand til at se sådanne mørkt stof signaturer, " siger SLACs Seth Digel, som leder Fermi-gruppen ved Kavli Instituttet for Partikelastrofysik og Kosmologi (KIPAC), et fælles institut af Stanford University og SLAC. "Men vi har ikke fundet nogen afgørende signaler endnu, og indtil videre kan LAT-dataene også forklares med andre astrofysiske kilder."

Endelig, LAT har udforsket gammastrålekilder tættere på hjemmet, inklusive gammastråler produceret af tordenvejr i jordens atmosfære, ved soludbrud og endda ved at ladede partikler rammer månens overflade.

Find nåle i en høstak

Fra sin placering på Fermi i en højde af 330 miles, LAT ser 20 procent af himlen på ethvert givet tidspunkt. Hvert andet kredsløb – hver tager omkring 95 minutter – indsamler instrumentet de nødvendige data til et gamma-ray-kort over hele himlen.

Men at identificere de rigtige signaler til kortet er lidt som at finde nåle i en høstak:For hver gammastrålefoton, LAT ser mange flere højenergiladede partikler, kaldet kosmiske stråler. De fleste af disse baggrundssignaler afvises med det samme af hardware-triggere og softwarefiltre i LAT på Fermi, hvilket reducerer signalhastigheden fra 10, 000 til 400 i sekundet.

De resterende data komprimeres, sendt tilbage til Jorden og sendt til NASAs Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland, hvor de bliver opdelt i tre forskellige datasæt til LAT, GBM (Fermis andet videnskabelige instrument, som overvåger kortvarige gammastråleudbrud) og rumfartøjsdata.

LAT-dataene overføres til LAT ISOC ved SLAC, hvor 1, 000 computerkerner analyserer automatisk datastrømmen og filtrerer endnu flere baggrundssignaler fra. 70 procent af alle detekterede gammastråler kommer fra Jordens atmosfære, efterlader kun to til tre udenjordiske gammastrålesignaler pr. sekund ud af de 10, 000 indledende detektorhændelser. These data are then sent back to NASA Goddard, where they are made publicly available for further analysis.

"The ISOC receives about 15 deliveries of LAT data throughout the day for a total of 16 gigabytes or three DVDs worth of data every day, " Cameron says. "For each delivery, the entire process – from the time the data leave Fermi to the time the gamma rays get deposited in the public archive – takes about four hours."

Næste år, the Fermi mission will reach its 10-year operations goal. What happens after that will largely depend on funding.

"With no successor mission planned, the LAT is in many ways irreplaceable, particularly for studies of low-energy gamma rays, " Digel says. "The telescope is still going strong after all these years, and there is a lot of science left to be done."

An important new role for the LAT is to search for gamma-ray sources associated with gravitational wave events. These ripples in space-time occur, for eksempel, when two black holes merge into a single one, as recently observed by the LIGO detector. This opens up the completely new field of gravitational wave astrophysics.

The LAT ISOC is a department in KIPAC and the Particle Astrophysics and Cosmology Division of SLAC. KIPAC researchers contribute to the international Fermi LAT Collaboration, whose research is funded by NASA and the DOE Office of Science, samt agenturer og institutter i Frankrig, Italien, Japan og Sverige.